Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

1. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

2. Sevanje okrog nas Andrej Godec Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerza v Ljubljani andrej.godec@fkkt.uni-lj.si Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

3. Sevanje • Neionizirajoče (nižje energije) • Ionizirajoče (višje energije) Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

4. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

5. Neionizirajoče sevanje • bližnje UV, vidno in IR elektromagnetno valovanje, mikrovalovi in radijski valovi … • to valovanje lahko sproži na primer nekatere fotokemijske reakcije in pospeši radikalske reakcije; • povzroči lahko opekline kože; večino ga zadrži že zemeljska atmosfera; • energija praviloma ni zadostna za ionizacijo atomov in molekul. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

6. Ionizirajoče sevanje • Ionizirajoče sevanje rečemo vsem delcem, ki imajo zadosti energije, da ionizirajo atome in molekule. • Takšni delci izbijejo elektrone iz zunanje lupine v atomih. • V večjih količinah lahko ionizirajoče sevanje v živih tkivih povzroči mutacije celic ali pa celo smrt. • Ionizirajoče sevanje je lahko sestavljeno iz protonov, nevtronov, elektronov, helijevih jeder, in še nekaterih drugih delcev. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

7. Dejstva • Radioaktivno (ionizirajoče) sevanje je na našem planetu stalno prisotno. Rečemo mu naravno ozadje. • Vir sevanja naravnega ozadja so kozmični žarki iz oddaljenega vesolja in od našega sonca, in radioaktivne snovi v globinah našega planeta. • Radioaktivni izotopi, ki so prisotni v večjih količinah v našem telesu: 17 mg/70 kg 90 μg/ 70 kg 30 μg/ 70 kg • Vsi navedeni so primarni radioizotopi, ki so navzoči že od nastanka Zemlje. Vsega skupaj je v naravi več kot 60 radioaktivnih elementov. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

8. Toplota našega planeta prihaja tudi od radioaktivnega razpada v njegovi notranjosti – uranova serija. • Oklo (Gabon): naravni fizijski jedrski reaktor v področjih z nahajališči uranove rude, ki je deloval skoraj milijon let. Nevtronski moderator je bila voda iz podtalnice. Moč reaktorja: 100 kW. Reaktor je ugasnil pred 1,5 milijarde let. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

9. Odkod sevanje? • Nekateri atomi niso stabilni, zato razpadejo. • V naravi so takšni predvsem izotopi težjih elementov, ki imajo dodatne nevtrone v jedru. • Temu razpadu rečemo radioaktivni razpad. Nestabilni izotopi so radioaktivni, zato jim rečemo tudi radioizotopi. • Pri radioaktivnem razpadu se del energije atoma sprosti v obliki delcev, ki jih običajno spremlja tudi elektromagnetno valovanje z visoko energijo. • Temu pojavu rečemo s skupnim imenom radioaktivno sevanje. Sevanja radioaktivnih snovi ne moremo prekiniti. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

10. Pionirja na področju radioaktivnosti sta bila pred dobrimi sto leti H. Becquerrel in Marie Curie. • Nestabilne izotope pa znajo znanstveniki narediti tudi v laboratoriju. • Prvi (?) uspešen alkimist na svetu: Ernest Rutherford. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

11. Cern 2008 • LHC (Large Hadron Collider): 100 m pod zemljo, 27 km v premeru; • Dva curka subatomskih delcev hadronov (protonov ali pa svinčevih ionov) z veliko energijo bosta čelno trčila; • Pričakovanja: veliko novih subatomskih delcev, supersimetrija, Higgsov bozon – ultimativni delec, ki je bil že teoretično napovedan v Standardnem modelu Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

12. Higgsov bozon: je verjeten odgovor na vprašanje, odkod delcem masa • http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html • http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs.htm

13. Vrste radioaktivnega sevanja • Glede na vrsto emitiranih delcev ločimo alfa (a) in beta (b) radioaktivno sevanje. • Spremljajoče valovanje pa imenujemo gama (g) sevanje ali g – žarki. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

14. a sevanje • Izotop emitira a delce: • Uran v naravi: a sevalec starševski izotophčerinski izotop • Uporaba: detektorji dima Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

15. Nevarnosti • To sevanje je nevarno predvsem v primeru zaužitja snovi, ki seva. • 320 ton osiromašenega urana je bilo “izgubljenih” samo v prvi zalivski vojni (tudi U - 238 je alfa sevalec). • Žrtev tega sevanja je bil zaradi zastrupitve s polonijem leta 2006 tudi Rus A. Litvinenko: • Polonij je močan α sevalec; na sekundo odda 4000 krat več α delcev kot ista masa na primer izotopa radija, ki je tudi sam zelo radioaktiven, in razpade do plina radona. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

16. b sevanje • Sestavljajo ga elektroni z visoko energijo, ki nastanejo pri razpadu nevtronov v jedru: • Nastane pri razpadu nekaterih radioaktivnih snovi v naravi in odpadnih produktov v jedrskih reaktorjih. • Datiranje s pomočjo izotopa ogljika: • Merjenje z AMS (Accelerator Mass Spectrometry); do 80 000 let nazaj (14 razpolovnih časov), ko je navzočih le še 0,006% začetne količine izotopa ogljika. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

17. Uporaba b sevalcev • V medicini za zdravljenje očesnih bolezni in kostnega raka: • Zdravljenje bolezni ščitnice: • Tricij pri proučevanju telesnega metabolizma in varnosti novih zdravil. • Testiranje puščanja cevi: Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

18. Nevarnosti • Najnevarnejša je izpostavljenost z vdihavanjem, ali zaužitje sevalca; b sevanje je prodornejše od a. • Direktna izpostavljenost je tudi nevarna (pordečenje kože, opekline). • Jod – 131 se akumulira v ščitnici. • Stroncij – 90 se akumulira v kosteh in zobeh. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

19. g sevanje • g sevanje je elektromagnetno valovanje z valovno dolžino pod 124 pm, ki spremlja α in β radioaktivni razpad nekaterih izotopov; primer: je vzbujeni izotop. • g sevanje je najprodornejše; zadržijo ga le debele plasti svinca, betona (6 krat debelejša plast) ali vode. • Ti fotoni imajo 10 000 krat višjo energijo kot fotoni iz vidnega dela elektromagnetnega spektra. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

20. Uporaba g sevalcev • Najpogosteje se uporabljajo , in . • Kobalt – 60: sterilizacija medicinske opreme v bolnišnicah, hrane v živilski industriji in pošte; zdravljenje raka, kontrola materialov v industriji (npr. debeline, defektov). • Tehnecij – 99: najpogostejši izotop za diagnostiko v jedrski medicini (kontrastno sredstvo pri tomografiji). Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

21. Nevarnosti • Najpogostejša je direktna zunanja izpostavljenost, naprimer naravnim radionuklidom, ki so gama sevalci: kalij – 40 (zemlja, voda, meso, banane ...), radij itd.; • izpostavljenost sevalcem kot posledica uporabe v medicini in industriji. • Zaradi svoje prodornosti so gama žarki zelo nevarni (radiacijska bolezen: izpostavljenost velikim dozam v kratkem času, pri čemer povzroči gama sevanje največ škode). Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

22. Prodornost sevanja list papirja aluminijasta folija beton Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

23. Doza sevanja • je količina ionizirajočega sevanja, ki ga prejme telo; • je merilo za energijo, ki se pri sevanju absorbira v telesu. • Enota za dozo je gray (Gy), ki je en joule na kilogram: 1 Gy = 1 J / kg snovi. • Običajno: mGy ali mGy. • Včasih enota rad: 1Gy = 100 rad. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

24. Efektivna doza sevanja • Enota sievert(Sv): en sievert sevanja povzroči enak biološki efekt na telo, ne glede na vrsto sevanja. Običajno uporabljamo enoto milisievert mSv. • Naravno ozadje kjerkoli na našem planetu pomeni efektivno dozo okrog 2 do 3 mSv/leto. Rekord: Ramsar (Iran), kjer je efektivna doza tudi do 260 mSv/leto. • Dovoljena efektivna doza zaradi umetnih virov sevanja je 1 mSv/leto. • Približno velja: doza sevanja 1 mGy ustreza biološkemu vplivu na telo 1,14 mSv. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

25. Let z letalom, Paris – Los Angeles: okrog 48 mGy (višina 11 km, 11 ur) oziroma cca. 55 mSv. • Vsakodnevno gledanje TV ali delo z računalnikom: 0,01 mSv/leto. • Tipična efektivna doza sevanja iz umetnih virov v medicini: 0,06 mSv/leto. • 3 mSv/leto: sevanje naravnega ozadja. • 5 mSv/leto: rudarji v dnevnih kopih urana. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

26. Izpostavljenost NARAVNO OZADJE Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

27. Letna efektivna doza za prebivalce Slovenije /mSv (vir: ARAO, 2006) Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

28. Efektivne doze po svetu (brez radona), mSv/leto Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

29. Kje je meja? • 20 mSv/leto: zgornja dovoljena meja za delavce v jedrski industriji, medicini in v rudnikih. • 50 mSv/leto je najnižja efektivna doza, pri kateri so opazili nastanek raka pri odraslih. • 1000 mSv: radiacijska bolezen, vendar ne nujno smrt. • 10 000 mSv: smrt v nekaj tednih. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

30. Aktivnost radioaktivnih snovi • Aktivnost radioaktivne snovi: enota je 1 becquerel (Bq), ki znaša 1 razpad na sekundo. • 1 Bq = 1 s -1. • Včasih je bila enota Curie: 1 Bq = 27 x 10 -12 Ci. • Merjenje: Geiger - Millerjev števec. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

31. Odrasel človek (70 kg): 7000 Bq • 1 kg kave: 1000 Bq. • Borovničev sok: 30 Bq/dm3 (doza 0,35 mSv) • Oceani: 4,0x1019 Bq (uran); 1,4x1022 (kalij); 1,33x1021 Bq (rubidij – 87); 6,7x1018 (ogljik – 14); 7,4x1017 (tricij). Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

32. Zrak v povprečni evropski hiši (radon): 30 000 Bq. • Radioizotopi za diagnostiko v medicini: 600 MBq oziroma 3 mSv (npr. scintigram kosti, izotop je tehnecijev – 99 difosfonat; pokažejo se “vroče točke”, kjer je infekcija ali tumor) • Uran v naravi: 50 MBq/kg. Sestava: 99,27 % uran – 238 (aktivnost 12 MBq/kg), 0,72 % uran – 235 (aktivnost 78 MBq/kg), in pet stotink promila uran – 234. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

33. Specifična aktivnost nuklidov v mleku v okolici Ljubljane; vir: ARAO Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

34. Zakonodaja • Hrana: v EU je bila po Černobilu določena nova najvišja dovoljena aktivnost izotopa Cs – 137, in sicer 12,5 kBq / kg suhe teže. • Doze: 20 mSv letno za izpostavljene delavce; - 1 mSv letno za posameznike iz prebivalstva in- 1 mSv za nerojenega otroka noseče ženske v času do konca nosečnosti. • Pri zdravniških pregledih in zdravljenju se uporabljata načeli upravičenosti in optimizacije. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

35. Radon v Sloveniji (leto 2000) • Ljubljana, Velenje 18 Bq/m3 zraka; Kočevje do 40 Bq/m3 (povišano naravno ozadje, bivši rudnik premoga); največ: Kras • zaprti prostori do 60 Bq/m3 (dopustno do 200 Bq/m3). • Rekord: termalna voda, toplice Snovik v Tuhinjski dolini (do 63 000 Bq/m3) in Dolenjske Toplice (51 000 Bq/m3). • Skladišče za nizko in srednje radioaktivne odpadke v Brinju (zdravstvo, industrija, šolstvo, znanost): 6300 Bq/m3. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

36. Razpolovni čas t1/2 • Radioaktivni razpadi so vsi prvega reda. • Razpolovni čas t1/2 : je čas, v katerem se koncentracija zmanjša na polovico začetne. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

37. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

38. Koliko časa do polovice? • Uran – 238: razpolovni čas je 4,5 x 109 let. • Mesečna plača: razpolovni čas 15 dni (če se le da!). • Umetni viri: - cezij – 137 (jedrske eksplozije, Černobil): 30 let; - tehnecij – 99: 6 ur - jod – 131: 8 dni • Umetni radioaktivni vir je nenevaren takrat, ko je njegova aktivnost podobna tisti v naravnem ozadju. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

39. Jedrska energija • Cepitev jeder v reaktorju - močno eksotermna reakcija; • 1941: prva nadzorovana verižna reakcija (Enrico Fermi); • 1954: prva jedrska elektrarna (Obninsk, SSSR); Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

40. Verižne reakcije • nadzorovana jedrska verižna reakcija (razne možnosti): Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

41. NEK (700 MW) • Jedrsko gorivo: 95% uran – 238 in 5% uran – 235 (jedrsko orožje: 90% urana – 235). • Gorivne palice iz cirkonija vsebujejo gorivo v obliki UO2. • NEK: 121 gorivnih elementov, vsak ima 235 gorivnih palic, skupaj 50 ton urana. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

42. Absorpcija nevtronov: bor (H3BO3) v hladilni vodi ali regulacijske palice iz srebra, indija in kadmija. • Moderator nevtronov: hladilna voda (jih upočasni). • Jedrska energija (toplota)  uparevanje vode  parne turbine  električni generatorji. • Toplotni izkoristek: 35% Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

43. Cepitveni produkti so prav tako radioaktivni; predstavljajo del radioaktivnih odpadkov iz jedrskih elektrarn, zato jih je treba pravilno skladiščiti. Z njimi je povezanih večina ekoloških problemov v zvezi s pridobivanjem energije iz jedrskih elektrarn. • Konec leta 2004 v elektrarni: 2289 m3 odpadkov (nizko in srednje radioaktivni, to so taki, ki po 300 letih niso več radioaktivni), skupna aktivnost 19 TBq. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

44. Nesmotrna uporaba jedrske energije • Atomska bomba: nekontrolirana jedrska verižna reakcija. • Američani so avgusta 1945 na japonski mesti Hirošimo in Nagasaki odvrgli atomski bombi moči 13 kiloton TNT (60 kg urana – 235, Hirošima) in 21 kiloton TNT (6,4 kg plutonija – 239, Nagasaki). Posledice bombardiranja: okrog 200 000 ubitih civilistov in še večje število obolelih. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

45. TNT je okrajšava za klasično eksplozivo 2,4,6 - trinitrotoluen. Moč jedrske eksplozije je izražena s pomočjo mase v kilotonah TNT, ki bi morala eksplodirati za podoben učinek. Energija pri eksploziji 1 kilotone TNT znaša 4,184·1012 J. Toliko energije nastane na primer pri zgorevanju okrog 143 ton premoga. • Danes: atomske bombe z močjo 500 kiloton. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

46. Fuzija • Sonce: fuzijski reaktor (zlivanje protonov). • Fuzija zaenkrat: žal le kot orožje (vodikova bomba: 50 megaton). Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

47. Prihodnost? • Obetajoča fuzijska reakcija: Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

48. Viri • P.W. Atkins: Physical Chemistry, 8th Ed., Oxford Press. • P. Monk: Physical Chemistry - Understanding our Chemical World, John Wiley and Sons. • Uprava RS za jedrsko varnost (http://www.ursjv.gov.si/) • Agencija za radioaktivne odpadke (http://www.arao.si/) • Wikipedia (slike) (http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page) • Environmental Protection Agency (http://www.epa.gov/) • http://teachers.web.cern.ch/teachers/ • http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucnot.html • http://particleadventure.org/frameless/4interactions.html • http://science.uniserve.edu.au/school/curric/stage6/phys/physapplets.html • http://www.uic.com.au/nip26.htm • http://www.radiation.org/reading/pubs/testimonyNJFeb2005.html • IJS (Matjaž Štuhec – merilniki) • ... Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

49. HVALA ZA POTRPEŽLJIVOST! Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

50. Geiger-Millerjev števec Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008